CN108199596A - 三相多阶梯波逆变装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三相多阶梯波逆变装置。它包括三相主逆变器、三相辅助逆变器、圆形变压器和电源，所述三相主逆变器和三相辅助逆变器的输入端均连接电源，所述三相主逆变器的输出端与圆形变压器的副边三相绕组一端连接，圆形变压器的副边三相绕组另一端连接负载，所述三相辅助逆变器的输出端连接圆形变压器的原边三相绕组两端。本发明装置结构简单，控制方便，开关频率低。通过电磁叠加，能提高逆变器的输出电压能力，并改善输出电压波形。

Description

三相多阶梯波逆变装置
技术领域
本发明属于逆变技术领域，具体涉及一种三相多阶梯波逆变装置。
背景技术
逆变是指通过半导体功率开关器件的开通和关断实现电能的DC/AC变换，是电力电子技术的基本变换之一。如今逆变技术在工业自动化、交通运输、城市供电、国防等领域发挥重要的作用，特别是在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。逆变从技术途径上可分以下三类：采用低频开关器件的多重叠加技术、采用高频开关器件的PWM技术，以及多重叠加或多电平与PWM结合的技术。以上技术都有各自的技术优势，但也存在不足和缺点。
传统多重叠加系统需要一套多相/三相的合成变压器把多组三相逆变功率通过电磁原理转换成三相功率，合成变压器的容量和逆变总容量相同。增加了装置的体积和重量。
多电平技术为了实现功率管的电平钳位，需要多个独立的直流电源或增加大量辅助元件，因而存在钳位电压的均压问题。
PWM技术目前应用最广泛，但由于开关器件和技术特点所限，目前仍有一些难以克服的问题，包括过高的开关频率引起的损耗，开关器件对电流电压的耐受能力，输出电压的利用率，死区对输出电压的影响，过高的开关频率产生电磁辐射，引起电磁兼容问题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种结构简单、体积小、谐波抑制能力高的三相多阶梯波逆变装置。
本发明采用的技术方案是：一种三相多阶梯波逆变装置，包括三相主逆变器、三相辅助逆变器、圆形变压器和电源，所述三相主逆变器和三相辅助逆变器的输入端均连接电源，所述三相主逆变器的输出端与圆形变压器的副边三相绕组一端连接，圆形变压器的副边三相绕组另一端连接负载，所述三相辅助逆变器的输出端连接圆形变压器的原边三相绕组两端。
进一步地，所述三相主逆变器为三相半桥逆变电路。
进一步地，所述三相辅助逆变器为三相全桥逆变电路，三相全桥逆变电路的输入端连接电源、输出端连接圆形变压器的原边三相绕组两端
进一步地，所述圆形变压器为圆柱形结构，所述圆形变压器的转子位于圆柱形结构的中心，圆形变压器的定子位于转子外围。
进一步地，所述圆形变压器的原边三相绕组与副边三相绕组的匝比范围为0.75:1-0.85:1
进一步地，所述圆形变压器的原边三相绕组与副边三相绕组的匝比为0.78:1。
更进一步地，所述电源两端设有滤波电容。
本发明的有益效果是：
1.以谐波抑制为目的时，可选择辅助逆变器为30°或60°导通。此时输出的三相功率大部分直接来自主逆变器，只有小部分辅助逆变器的功率通过合成变压器感应到输出侧，可以根据转换功率选择变压器容量，实现整体装置体积小、重量轻。
2.结构简单，控制方便，能最大限度地降低开关频率，减少开关损耗和电磁干扰，通过电磁叠加，能提高逆变器的输出电压能力，并改善输出电压波形。
3.圆形变压器具有波形变换功能，三相辅助逆变器和圆形变压器构成电磁叠加电路，主要功能是针对三相主逆变器的5、7次谐波进行抑制；由于圆形变压器结构紧凑，能降低逆变装置的整体体积和重量。
4.有进一步的开发前景，能和现代电力电子控制技术结合，开发出在保留以上固有优点基础上，能进一步提高谐波抑制和电压控制能力的逆变装置。
附图说明
图1为本发明的结构原理图。
图2为本发明的电路原理图。
图3为本发明圆形变压器的示意图。
图4为本发明三相辅助逆变器不工作时的电压波形和频谱示意图。
图5为本发明三相辅助逆变器在圆形变压器副边绕组感应的电压波形示意图。
图6为本发明输出的多阶梯电压波形示意图。
图7为本发明输出的多阶梯电压频谱示意图。
图8为本发明三相主逆变器电压和三相辅助逆变器电压通过叠加生成多阶梯波的过程示意图。
图中：1-三相主逆变器；2-三相辅助逆变器；3-圆形变压器；5-电源；6-原边三相绕组；7-副边三相绕组；8-定子；9-转子；10-滤波电容；11-可关断开关器件；12-负载。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1-3所示，本发明包括三相主逆变器1、三相辅助逆变器2、圆形变压器3和电源5，所述三相主逆变器1和三相辅助逆变器2的输入端均连接电源5，电源5两端设有滤波电容10，所述三相主逆变器1的输出端与圆形变压器3的副边三相绕组7一端连接，圆形变压器3的副边三相绕组7另一端连接负载12，所述三相辅助逆变器2的输出端连接圆形变压器3的原边三相绕组6两端。圆形变压器3具有波形变换功能，三相辅助逆变器2和圆形变压器3构成电磁叠加电路，主要功能是针对三相主逆变器1的5、7次谐波进行抑制；由于圆形变压器3结构紧凑，能降低逆变装置的整体体积和重量。
上述方案中，三相主逆变器1为三相半桥逆变电路，由六个相同可关断开关器件11组成，输出脉宽在0～180°内可控。三相辅助逆变器2为三相全桥逆变电路，三相全桥逆变电路的输入端连接电源5、输出端连接圆形变压器3的原边三相绕组6两端。三相主逆变器1和三相辅助逆变器2均为常规的电路结构。
上述方案中，圆形变压器3为圆柱形结构，所述圆形变压器3的转子9位于圆柱形结构的中心，圆形变压器3的定子8位于转子9外围，转子9为圆形铁心，堵转固定，原副边绕组都在定子一侧，空间相移30°。圆形变压器3的原边三相绕组6与副边三相绕组7的匝比范围为0.75:1-0.85:1。经过优选，将圆形变压器的原边三相绕6与副边三相绕组7的匝比设为0.78:1，合适的原边三相绕6与副边三相绕组7的匝比对谐波的抑制效果更好。
当三相辅助逆变器2不工作时，三相主逆变器1在180°导通模式下输出相电压为6阶梯波，波形图如图3所示，谐波抑制能力较差。
当三相辅助逆变器2工作时，三相主逆变器1为180°导通，三相辅助逆变器2分别为30°、60°、90°、120°、150°、180°导通，可输出1.4、1.8、2.2、2.3、2.45.、2.55倍于三相主逆变器的输出交流电压，同时输出波形得到明显改善。
圆形变压器由于原副绕组的空间位置关系，加在原边绕组8(abc)上的脉冲电压ua、ub、uc经过空间变换感应在副边绕组7(ABC)上，变换矩阵为：
感应电压umA、umB、umC为
当脉冲电压ua、ub、uc的脉宽分别为30°、60°、90°、120°、150°、180°时，感应电压umA、umB、umC的波形分别如图5所示，最终的输出电压波形如图6所示，相应的频谱如图7所示。
由波形和频谱可见，当选取适当的脉冲宽度，最终输出相电压为更加逼近正弦的多阶梯波，谐波得到明显抑制。输出电压幅值的变化取决于脉冲宽度。
为了进一步说明多阶梯波的产生原理，图8给出了主逆变器电压和圆形变压器电压通过叠加生成多阶梯波的过程。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种三相多阶梯波逆变装置，其特征在于：包括三相主逆变器(1)、三相辅助逆变器(2)、圆形变压器(3)和电源(5)，所述三相主逆变器(1)和三相辅助逆变器(2)的输入端均连接电源(5)，所述三相主逆变器(1)的输出端与圆形变压器(3)的副边三相绕组一端连接，圆形变压器(3)的副边三相绕组另一端连接负载，所述三相辅助逆变器(2)的输出端连接圆形变压器(3)的原边三相绕组两端。
2.根据权利要求1所述的三相多阶梯波逆变装置，其特征在于：所述三相主逆变器(1)为三相半桥逆变电路。
3.根据权利要求1所述的三相多阶梯波逆变装置，其特征在于：所述三相辅助逆变器(2)为三相全桥逆变电路，三相全桥逆变电路的输入端连接电源(5)、输出端连接圆形变压器(3)的原边三相绕组两端。
4.根据权利要求1所述的三相多阶梯波逆变装置，其特征在于：所述圆形变压器(3)为圆柱形结构，所述圆形变压器(3)的转子(9)位于圆柱形结构的中心，圆形变压器(3)的定子(8)位于转子(9)外围。
5.根据权利要求1所述的三相多阶梯波逆变装置，其特征在于：所述圆形变压器(3)的原边三相绕组与副边三相绕组的匝比范围为0.75:1-0.85:1。
6.根据权利要求5所述的三相多阶梯波逆变装置，其特征在于：所述圆形变压器(3)的原边三相绕组与副边三相绕组的匝比为0.78:1。
7.根据权利要求1所述的三相多阶梯波逆变装置，其特征在于：所述电源(5)两端设有滤波电容(10)。
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